Processus de fabrication des PCB

Dans le monde d&#8217aujourd&#8217hui, où les appareils électroniques sont omniprésents, les circuits imprimés (PCB) constituent le "squelette" et le "système nerveux" des produits électroniques, leurs processus de fabrication ayant un impact direct sur les performances et la fiabilité des produits. Que vous soyez ingénieur en électronique, spécialiste de l'approvisionnement ou simplement intéressé par la fabrication des PCB, il est essentiel de comprendre le processus complet de fabrication des PCB. Cet article vous guidera à travers chaque étape critique de la production de PCB, des matières premières au produit fini, tout en abordant les défis de fabrication les plus courants.

Ventilation détaillée du noyau Fabrication de circuits imprimés Processus

1. Découpe de panneaux (CUT) : Le point de départ de la précision

La découpe des panneaux est la première étape de la fabrication des circuits imprimés et constitue la base des processus ultérieurs. Bien qu'apparemment simple, elle implique plusieurs considérations techniques :

• Sélection des matériaux:Les matériaux laminés courants recouverts de cuivre comprennent le FR-4 (fibre de verre époxy), les substrats en aluminium et les matériaux haute fréquence (par exemple, Rogers), chacun nécessitant des paramètres de coupe différents.
• Contrôle dimensionnel: Découpe précise selon les spécifications de conception pour les dimensions UNIT (circuit individuel), SET (ensemble de panneaux) et PANEL (panneau de production).
• Exigences de précision: La fabrication moderne de circuits imprimés exige généralement des tolérances de coupe de ±0,10 mm.
• Traitement des bords: Les arêtes de coupe doivent être ébavurées pour éviter que les arêtes rugueuses n'affectent les processus ultérieurs.

Principales considérations:

• Vérifier le type de matériau, l'épaisseur et le poids de cuivre avant de procéder à la découpe.
• Tenir compte de la dilatation/contraction du matériau dans les processus ultérieurs lors de la détermination de la taille du panneau.
• Maintenir un environnement de travail propre pour éviter la contamination des surfaces
• Stocker les différents matériaux séparément pour éviter les mélanges

2.Imagerie par film sec de la couche interne :Création de schémas de circuit précis

Le processus de film sec de la couche interne est essentiel pour transférer avec précision les modèles de conception sur les substrats des circuits imprimés, et se compose de plusieurs sous-processus :

Préparation de la surface (nettoyage des panneaux)

• Combine le nettoyage chimique et l'abrasion mécanique
• Élimine l'oxydation et crée une micro-rugosité pour une meilleure adhérence du film sec.
• Paramètres typiques : Marques de frottement de 5 à 10 mm, rugosité Ra 0,3-0,5μm.

Pelliculage à sec

• Colle thermiquement le film sec photosensible à la surface du cuivre
• Contrôle de la température : Typiquement 100-120°C
• Contrôle de la pression :Environ 0,4-0,6MPa
• Contrôle de la vitesse : 1,0-1,5m/min

Exposition

• Utilise la lumière UV (longueur d'onde de 365 nm) pour polymériser sélectivement le film sec à l'aide d'un photo-outil.
• Contrôle de l'énergie : 5-10mJ/cm².
• Précision d'enregistrement : Dans la limite de ±25μm

Développement

• Utilise une solution de carbonate de sodium à 1 % pour dissoudre le film sec non polymérisé
• Contrôle de la température : 28-32°C
• Pression de pulvérisation : 1,5- 2,5 bar

Gravure

• Utilise une solution acide de chlorure de cuivre (CuCl2+HCl) pour dissoudre le cuivre exposé.
• Facteur de gravure (contrôle de la gravure latérale) >3,0
• Uniformité de l'épaisseur du cuivre à ±10%.

Bande

• Utilise une solution d'hydroxyde de sodium à 3-5% pour enlever la pellicule protectrice sèche.
• Contrôle de la température : 45-55°C
• Contrôle du temps : 60-90 secondes

Recommandations en matière de conception:

• Trace/espace minimum de la couche intérieure ≥ 3 mil (0,075mm)
• Éviter les caractéristiques isolées du cuivre pour éviter le surmordançage
• Répartir uniformément le cuivre pour éviter les déformations de la stratification
• Ajouter une marge de conception pour les traces de signaux critiques

3. Traitement à l'oxyde brun : Amélioration de la liaison entre les couches

Le traitement à l'oxyde brun est essentiel pour la fabrication de circuits imprimés multicouches, principalement pour améliorer l'adhérence entre la couche interne de cuivre et le préimprégné (PP) :

• Réaction chimique: Forme une couche complexe organique-métallique micro-rugueuse sur la surface du cuivre
• Contrôle des processus:
• Température : 30-40°C
• Durée : 1,5-3 minutes
• Augmentation de l'épaisseur du cuivre : 0,3-0,8μm
• Vérification de la qualité:
• Uniformité des couleurs
• Test de l'angle de contact avec l'eau (doit être ≥30°)
• Essai de résistance au pelage (≥1,0N/mm)

Problèmes communs:

• Un traitement insuffisant peut entraîner une délamination après la stratification.
• Le surtraitement crée une rugosité excessive qui affecte l'intégrité du signal.
• Les panneaux traités doivent être stratifiés dans les 8 heures.

4.Lamination :Formation de structures multicouches

Le laminage relie plusieurs noyaux de couches internes avec du pré-imprégné (PP) sous l'effet de la chaleur et de la pression pour créer des structures multicouches :

• Préparation du matériel:
• Feuille de cuivre (typiquement 1/3oz ou 1/2oz)
• Pré-imprégnés (par exemple, grades 1080, 2116, 7628)
• Plaques d'acier inoxydable, papier kraft et autres matériaux auxiliaires
• Paramètres du processus:
• Température : 170-190°C
• Pression : 15 à 25 kg/cm².
• Durée : 90-180 minutes (en fonction de l'épaisseur et de la structure du panneau)
• Contrôles critiques:
• Vitesse de chauffage : 2-3°C/min
• Taux de refroidissement : 1-2°C/min
• Niveau de vide : ≤100mbar

Considérations relatives à la conception:

• Maintenir un empilage symétrique (par exemple, carte à 8 couches : 1-2-3-4-4-3-2-1)
• Orienter perpendiculairement les traces des couches adjacentes (par exemple, horizontalement sur une couche, verticalement sur la couche adjacente).
• Utiliser du PP à haute teneur en résine pour les plaques de cuivre lourdes
• Tenir compte du flux de matériau pendant le laminage pour les conceptions de via aveugles/enfouis

5.Perçage :Création d'interconnexions de précision

Le perçage permet de créer des interconnexions verticales entre les couches du circuit imprimé, la technologie moderne permettant d'atteindre une précision exceptionnelle :

• Types de forets:
• Perçage mécanique (pour des trous ≥0,15mm)
• Perçage au laser (pour les microvias et les vias aveugles)
• Paramètres typiques:
• Vitesse de rotation de la broche : 80 000-150 000 tours/minute
• Vitesse d'avance : 1,5-4,0 m/min
• Vitesse de rétractation :10-20m/min
• Normes de qualité:
• Rugosité de la paroi du trou ≤25μm
• Précision de la position du trou ±0,05mm
• Pas de têtes de clous ni de bavures

Dépannage des problèmes courants:

• Murs à trous: Optimiser les paramètres de forage, utiliser des matériaux d'entrée/de secours appropriés.
• Trous bouchés: Améliorer l'évacuation des copeaux, ajuster la séquence de perçage
• Forets cassés: Vérifier la qualité du forage, optimiser les vitesses d'alimentation

6.Dépôt de cuivre chimique (PTH) :Métallisation des trous critiques

Le dépôt de cuivre chimique crée des couches conductrices sur les parois des trous non conducteurs, ce qui est essentiel pour la fiabilité des circuits imprimés :

Processus de la PTH

1. Désaromatiser: Élimine les résidus de résine après le perçage
2. Cuivre chimique:

• Solution alcaline utilisant le formaldéhyde comme agent réducteur
• Température : 25-32°C
• Durée : 15-25 minutes
• Épaisseur du cuivre : 0,3-0,8μm

1. Placage de panneaux:

• Solution acide de sulfate de cuivre
• Densité de courant : 1,5- 2,5ASD
• Durée : 30-45 minutes
• Épaisseur du cuivre : 5-8μm

Exigences de qualité:

• Test de rétroéclairage ≥9 niveaux (≥90% de couverture de la paroi du trou)
• Essai de contrainte thermique (288°C, 10 secondes) sans délamination ni formation de cloques
• Résistance aux trous ≤300μΩ/cm

7. Transfert du motif de la couche extérieure

Similaire à l'imagerie de la couche interne mais avec des étapes de placage supplémentaires :

1. Préparation de la surface: Nettoyage, micro-gravure (enlève 0,5-1μm de cuivre).
2. Pelliculage à secUtilise un film sec résistant au placage
3. ExpositionUtilise le LDI (Laser Direct Imaging) ou l'outil photographique traditionnel
4. DéveloppementCrée un motif de placage
5. Placage de motifs:

• Épaisseur du cuivre : 20-25μm (total)
• Épaisseur de l'étain : 3-5μm (comme réserve de gravure)

1. Bande:Élimine les résistances de placage
2. GravureSupprime le cuivre indésirable

Faits saillants techniques:

• Compensation de la largeur de la trace : Ajustement de la largeur de la conception en fonction de l'épaisseur du cuivre (ajout de 10 à 20 % en général).
• Uniformité du placage :Utiliser une solution à haute puissance de projection et une configuration adéquate de l'anode.
• Contrôle de la gravure latérale :Optimisation des paramètres de gravure pour maintenir la précision de la largeur de la trace

8.Masque de soudure : Couche de protection du circuit

Le masque de soudure protège les circuits et affecte la qualité et l'aspect de la soudure :

• Méthodes d'application:
• Sérigraphie : Pour les exigences de faible précision
• Revêtement par pulvérisation :Pour les formes de panneaux irrégulières
• Revêtement de rideau :Haute efficacité, excellente uniformité
• Déroulement du processus:

1. Préparation de la surface (nettoyage, rugosité)
2. Application du masque de soudure
3. Pré-cuisson (75°C, 20-30 minutes)
4. Exposition (300-500mJ/cm²)
5. Développement (solution de carbonate de sodium à 1 %)
6. Durcissement final (150°C, 30-60 minutes)

• Normes de qualité:
• Dureté ≥6H (dureté d'un crayon)
• Adhésion : 100% de réussite au test du ruban adhésif 3M
• Résistance à la soudure : 288°C, 10 secondes, 3 cycles sans défaut

Lignes directrices pour la conception:

• Pont de masque de soudure minimum ≥0,1mm
• Ouvertures de la zone BGA : 0,05 mm de plus que les pads par côté
• Les doigts d'or doivent être recouverts d'un masque de soudure

9.Finition de surface : équilibre entre soudabilité et durabilité

Différentes finitions conviennent à différentes applications :

Guide de sélection:

• Électronique grand public standard : HASL ou OSP
• Produits à haute fiabilité :ENIG
• Circuits à grande vitesse :Imm Ag ou OSP
• Connecteurs de bord :Placage en or dur (1-3μm)

10.Routage : Fabrication de contours de précision

Le traitement des contours de PCB utilise principalement trois méthodes :

• Fraisage CNC:

• Précision : ±0,10 mm
• Largeur minimale de la fente : 1,0 mm
• Rayon d'angle : ≥0,5mm

• Notation en V:

• Angle : 30° ou 45
• Épaisseur restante : 1/3 de l'épaisseur du panneau (généralement 0,3-0,5 mm)
• Précision de la position : ±0,10 mm

• Découpe au laser:

• Précision : ±0,05 mm
• Trait de scie minimal : 0,2 mm
• Pas de contrainte mécanique

Règles de conception:

• Maintenir un espace de ≥0,3 mm entre le bord de la carte et les circuits.
• Inclure des languettes de rupture ou des piqûres de souris pour les conceptions en panneaux.
• Fournir des fichiers DXF précis pour les contours irréguliers
• Bords en biseau (généralement 20-45°) pour les planches à doigts en or

11.Essais électriques :Contrôle de qualité final

Les tests de circuits imprimés garantissent la fiabilité fonctionnelle :

• Méthodes d'essai:
• Sonde volante : Convient à la production de faibles volumes et de mélanges élevés
• Essai des montages :Pour la production en grande série
• AOI (Automated Optical Inspection) :Inspection complémentaire
• Couverture des tests:
• 100% de continuité nette
• Essai d'isolation (typiquement 500V DC)
• Test d'impédance (pour les cartes à impédance contrôlée)

Résolution des problèmes communs:

• Ouvertures : Vérifier les fausses ouvertures (mauvais contact de la sonde d'essai)
• Courts :Analyser l'emplacement du short, vérifier les problèmes de conception
• Déviation de l'impédance :Vérifier les paramètres du matériau et le contrôle de la largeur de la trace

12.Inspection finale &amp ; Emballage

Dernière étape de la vérification de la qualité :

• Éléments d'inspection:
• Visuel : rayures, taches, défauts du masque de soudure
• Dimensions : Épaisseur, contour, taille des trous
• Marquage :Clarté de la légende et précision de la position
• Fonctionnel :Qualité de la dorure, tests d'impédance
• Méthodes d'emballage:
• Emballage sous vide (anti-oxydation)
• Emballage antistatique (pour les composants sensibles)
• Papier interfolié (évite les rayures de surface)
• Plateaux personnalisés (pour les cartes de haute précision)

Normes d'expédition:

• IPC-A-600G Classe 2 (commercial)
• IPC-A-600G Classe 3 (haute fiabilité)
• Exigences spécifiques au client

FAQ sur la fabrication des PCB (Q&R)

Q1 : Pourquoi mon circuit imprimé présente-t-il un décollement du cuivre après la soudure ?

Causes profondes:

1. Mauvaise adhérence du cuivre au substrat (problème de matériau)
2. Température ou durée de brasage excessive
3. Mauvaise conception (par exemple, grande surface de cuivre connectée par des traces minces)
4. Traitement inadéquat de l'oxyde brun

Solutions:

• Choisir des matériaux stratifiés de haute qualité
• Optimiser les paramètres de brasage (<260°C, <5 secondes)
• Utiliser des raccords de décharge thermique dans les conceptions
• Vérifier les paramètres du procédé d'oxyde brun avec le fabricant
• Effectuer des essais de contrainte thermique si nécessaire (288°C, 10 secondes, 3 cycles)

Q2 : Comment traiter les défauts de repérage d'une couche à l'autre dans les circuits imprimés multicouches ?

Sources d'erreurs d'enregistrement:

• Incohérences dans la dilatation/contraction des matériaux
• Déplacement de la couche pendant le laminage
• Précision insuffisante de l'enregistrement de l'exposition
• Déviations de la position de forage

Mesures d'amélioration:

• Phase de conception :

• Ajouter des cibles d'enregistrement (minimum 3)
• Maintien d'une distribution uniforme du cuivre
• Prise en compte des propriétés des matériaux (traitement spécial pour les matériaux à haute fréquence)

• Fabrication :

• Utiliser un équipement d'exposition LDI de haute précision
• Mise en œuvre de l'alignement des forages radiographiques
• Appliquer les algorithmes de compensation du retrait des matériaux
• Envisager le pelliculage séquentiel pour les cartes à fort rapport d'aspect

• Sélection des matériaux :

• Utilisation de matériel à faible teneur en CTE
• Sélection d'un pré-imprégné indéformable

Q3 : Comment résoudre les parois rugueuses des petits trous (<0.2mm) ?

Solutions techniques:

• Choix du foret:
• Exercices spécialisés (par exemple, de type UC)
• Angle du point 130-140
• Angle de l'hélice 35-40°.
• Optimisation des paramètres:
• Augmenter le nombre de tours/minute à 120 000-150 000
• Réduire la vitesse d'alimentation à 1,0-1,5 m/min
• Changer d'exercice tous les 500 coups
• Matériaux auxiliaires:
• Matériau d'entrée en aluminium haute densité
• Panneaux d'appui spéciaux (par exemple, phénoliques)
• Post-traitement:
• Dessiccation améliorée (traitement au plasma en option)
• Optimiser la gravure avant le cuivre chimique

Q4 : Comment les ouvertures du masque de soudure doivent-elles être conçues pour les zones BGA ?

Spécifications de conception:

• BGA standard:

• Ouvertures de masque de soudure 0,05 mm plus grandes que les pastilles par côté
• Pont de masque de soudure minimum 0,1 mm
• Conception NSMD (Non-Solder Mask Defined)

• BGA à pas fin (pas ≤0,5mm):

• Ouvertures du masque de soudure égales ou légèrement inférieures (0,02-0,03 mm) à celles des pastilles
• Conception SMD (Solder Mask Defined)
• Envisager le procédé LDI (Laser Direct Imaging)

• Traitements spéciaux:

• Empêcher le masque de soudure de grimper sur les sphères BGA
• Contrôle de l'épaisseur du masque de soudure à 10-15μm
• Mettre en place des barrages de masques de soudure si nécessaire

Résolution des problèmes communs:

• Un masque de soudure épais provoque des problèmes de soudure : Utiliser des encres pour masques de soudure minces
• Ponts de masque de soudure cassés :Optimiser l'énergie d'exposition et le développement
• Ouvertures mal alignées :Vérifier l'outil photographique ou les données LDI

Q5 : Pourquoi le placage ENIG donne-t-il parfois lieu à un "Black Pad" ? Comment l'éviter ?

Causes du tampon noir:
Le Black Pad se réfère à des interfaces fragiles entre le nickel et la brasure dans les finitions ENIG, principalement causées par :

• Surmordançage du nickel pendant le dépôt d'or
• Teneur en nickel phosphore anormale (devrait être de 7 à 9 %)
• Épaisseur d'or excessive (>0,15μm) provoquant une passivation du nickel.
• Post-traitement inadéquat (nettoyage insuffisant)

Méthodes de prévention:

• Contrôle des processus :

• Maintenir le pH du bain entre 4,5 et 5,5
• Épaisseur de l'or de contrôle 0,05-0,10μm
• Ajouter un traitement après immersion (par exemple, lavage à l'acide doux).

• Contrôle de la qualité :

• Analyse régulière de la teneur en nickel et en phosphore
• Analyse en coupe de l'interface nickel-or
• Essai de cisaillement des billes de soudure (>5kg/mm²)

• Solutions alternatives :

• Consider ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold)
• Utiliser le nickel/or électrolytique pour les applications à haute fiabilité

Q6 : Comment résoudre les problèmes d'intégrité des signaux dans les circuits imprimés à grande vitesse ?

Co-optimisation de la conception et de la fabrication:

• Sélection des matériaux:

• Matériaux à faible Dk (constante diélectrique), faible Df (facteur de dissipation)
• Feuilles de cuivre lisses (par exemple, HVLP)

• Optimisation de la conception:

• Contrôle étroit de l'impédance (±10%)
• Minimiser l'utilisation d'embouts (perçage arrière)
• Utiliser des structures en microruban ou en stripline

• Contrôles de fabrication:

• Précision de gravure (±15μm de largeur de trace)
• Contrôle de l'épaisseur du diélectrique (±10%)
• Choix de l'état de surface (de préférence Imm Ag ou OSP)

• Vérification des essais:

• Essais TDR (Time Domain Reflectometry)
• Mesures de la perte d'insertion/de retour
• Test du diagramme de l'œil (pour les signaux à grande vitesse)

Paramètres typiques:

• Signaux de 10 Gbps : Matériaux avec Df<0,010
• 28Gbps+ :Envisager les matériaux Megtron6 ou Rogers
• Impédance :50Ω en mode monophasé, 100Ω en mode différentiel (à ajuster selon le protocole)

Conclusion

La fabrication de circuits imprimés est une technologie multidisciplinaire qui combine la science des matériaux, les procédés chimiques et l'ingénierie mécanique de précision.À mesure que l'électronique évolue vers des fréquences, des vitesses et des densités plus élevées, les processus de fabrication des circuits imprimés continuent de progresser en conséquence. La compréhension de ces processus de fabrication facilite non seulement la conception de circuits imprimés plus faciles à fabriquer, mais permet également un dépannage rapide et une communication efficace avec les fabricants.

Qu'il s'agisse de matériaux FR-4 conventionnels pour l'électronique grand public, de matériaux haute fréquence spécialisés pour les équipements 5G ou d'électronique automobile à haute fiabilité, il est essentiel de sélectionner les fabricants de circuits imprimés appropriés et de bien comprendre leurs capacités.Nous espérons que ce guide vous apportera des informations précieuses qui vous aideront à prendre des décisions éclairées en matière de fabrication de circuits imprimés.